термическая обработка стим

Когда говорят про термическую обработку стали, многие сразу представляют графики с критическими точками Ac1, Ac3 и строгие режимы из учебников. На практике же, особенно в условиях цеха, всё часто упирается в куда более приземлённые вещи: равномерность прогрева садки, реальная калибровка печных термопар, состояние атмосферы в печи и даже то, как штабелер подал заготовку под ковку. Вот об этих нюансах, которые редко пишут в брошюрах, но которые определяют итоговую структуру и свойства металла, и стоит поговорить.

От теории к практике: где кроются основные сложности

Возьмём, к примеру, такую, казалось бы, базовую операцию, как отжиг для снятия напряжений после ковки. В теории всё просто: нагрел до 600-650°C, выдержал, медленно охладил. Но если загрузка в печь плотная, а циркуляция атмосферы слабовата, то заготовки в центре садки могут недобрать 30-40 градусов. И это не гипотеза, а регулярная находка при замерах переносным пирометром после выгрузки. Получается, часть деталей прошла полноценный отжиг, а часть — лишь символический прогрев. И все эти детали потом идут на механическую обработку, где разница в обрабатываемости и остаточных напряжениях может вылезти самым неприятным образом.

У нас на производстве, в ООО Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство, с этим столкнулись при работе с крупными поковками валов. Печь вроде бы исправна, график соблюдаем. Но токарщики начали жаловаться на неравномерный износ резцов при чистовой обработке шеек валов. Стали разбираться. Оказалось, что крупные валы (под 3-4 тонны) укладывались в печь для отжига вплотную друг к другу. Термопара печи, расположенная сбоку, показывала стабильные 650°C. А когда стали замерять температуру в сердечнике вала, расположенного в середине камеры, в конце выдержки, там едва набиралось 610°C. Структура не успевала полностью перейти в равновесное состояние. Решение нашли, казалось бы, простое — увеличили межоперационные интервалы между валами при загрузке и добавили выдержку после достижения температуры по печной термопаре. Но на поиск этой причины и подбор нового режима ушло время и пара испорченных заготовок.

Отсюда идёт важный вывод: график термической обработки — это не догма, а отправная точка. Его всегда нужно привязывать к конкретной печи, конкретной загрузке и даже к времени года (зимой, при холодном цехе, теплопотери искажают картину). Иногда лучше увеличить время выдержки на 20-25%, чем получить неоднородные свойства по партии.

Оборудование: возможности и ограничения

Основной парк нашего предприятия — это нагревательные и отжигательные печи, а также электрические печи для улучшения. Гидравлический ковочный пресс и электрошлаковый переплав — это отдельная история, они задают исходное качество заготовки. Но именно печи для термической обработки формируют конечные свойства. Например, наши печи для улучшения (закалка+высокий отпуск) хороши для большинства марок конструкционных сталей типа 40Х, 35ХМ. Но когда поступил заказ на детали из стали 38ХН3МФА (ответственные шестерни), возник вопрос с прокаливаемостью и необходимостью более интенсивного охлаждения в масле. Наши печи обеспечивали нагрев, а вот с охлаждением пришлось импровизировать — дорабатывать систему перемешивания масла в баке, чтобы избежать образования паровой рубашки на поверхности деталей сложной формы.

Часто упоминаемый на сайте www.jyybdz.ru электрошлаковый переплав — это, безусловно, плюс к чистоте металла. Но здесь есть тонкость: сталь после ЭШП менее склонна к перегреву, но и графики её термической обработки могут немного отличаться от стали, выплавленной обычным способом. Зерно мельче, диффузионные процессы идут чуть иначе. В паспортах на слитки этого не пишут, приходится нарабатывать опыт эмпирически, делая пробные термообработки и контролируя структуру.

Горизонтальные токарные станки, которые у нас также есть, — это финальный контролёр качества всей цепочки. По стружке, по звуку резания, по стабильности размеров после снятия припуска опытный мастер-токарь может сказать, удачно ли прошла закалка с отпуском. Если сталь 'тяжёлая' в обработке, стружка ломается с трудом, а на поверхности появляется наклёп — возможно, температура отпуска была занижена, и твёрдость осталась выше требуемой. Это обратная связь, без которой невозможно отладить процесс.

Конкретные примеры и 'косяки'

Хочется привести один поучительный случай с нормализацией. Была партия поковок из стали 35Л. После ковки, как положено, сделали нормализацию — нагрев до 870°C, охлаждение на воздухе. Цель — измельчение зерна перед последующей закалкой. Сделали, проверили твёрдость — вроде в норме. Но когда эти заготовки пошли на закалку, в нескольких из них пошли трещины. При вскрытии макроструктуры обнаружили остатки литой структуры в сердцевине. Ошибка была в том, что для данной конкретной конфигурации поковки (массивная центральная часть и тонкие рёбра) охлаждения на спокойном воздухе цеха оказалось недостаточно для полного разрушения дендритной структуры. Нормализацию, по сути, заменил неполный отжиг. Пришлось перейти на нормализацию с обдувом сжатым воздухом для более интенсивного охлаждения. Вывод: даже такая стандартная операция требует анализа формы изделия.

Ещё один момент — подготовка поверхности. Казалось бы, при термической обработке в электрических печах окисление не так критично, как в пламенных. Но если на заготовке осталась окалина от предыдущего нагрева под ковку, она работает как изолятор. Под ней металл прогревается медленнее. Мы как-то получили брак по твёрдости именно по этой причине: заказчик требовал твёрдость 285-321 HB по всей поверхности, а у нас на некоторых плоскостях было 269-270 HB. Всё из-за слоя окалины, который не очистили перед закалкой. Теперь техпроцесс строго предписывает дробеструйную очистку после ковки и перед загрузкой в печь для термической обработки.

Работа с легированными сталями — это отдельная песня. Например, для хромомолибденованадиевых сталей критически важен нагрев под закалку. Если поторопиться и дать высокую скорость нагрева, можно не избежать термических напряжений и трещин ещё до начала охлаждения. Мы для таких ответственных деталей всегда используем ступенчатый нагрев: сначала в предварительную печь при 500-550°C, выдержка, а потом уже перевод в высокотемпературную печь. Да, это удлиняет цикл, но страхует от брака. На сайте нашей компании ООО Цзиюань Юйбэй указано, что мы занимаемся улучшением и термической обработкой — так вот, для нас 'занимаемся' означает именно такой, внимательный подход к каждому режиму, а не просто наличие печи.

Контроль качества: не только твёрдость

Твёрдость по Бринеллю или Роквеллу — это первое, что проверяют после отпуска. Быстрый, наглядный метод. Но он не даёт полной картины. Твёрдость может быть в допуске, а структура — нет. Классический пример — обезуглероживание поверхностного слоя. На твёрдости после отпуска оно может сказаться не сильно, особенно если слой тонкий. Но при работе на износ или усталость этот мягкий слой станет очагом разрушения. Поэтому выборочно, особенно для новых марок стали или ответственных деталей, мы делаем микрошлифы и смотрим структуру под микроскопом. Видишь там ферритную кайму — значит, пора проверять герметичность печи или корректировать атмосферу.

Ещё один важный, но часто игнорируемый параметр — прямизна. Особенно после закалки деталей типа длинных валов или штоков. Деформация — это нормально, но её величину нужно прогнозировать и закладывать в припуск под правку или последующую механическую обработку. У нас был опыт, когда вал длиной 4 метра после закалки в воду дал 'банан' с прогибом в 12 мм. Для его спецификации это было недопустимо. Пришлось вносить правку в режим: не охлаждать в воде до конца, а вынимать при ~200°C и сразу отправлять в печь для отпуска, не давая мартенситу полностью превратиться. Плюс изменили ориентацию вала при погружении в бак. После доработки прогиб удалось уложить в 3-4 мм, что уже устраивало токарный участок.

Контроль температуры — это отдельная боль. Штатные термопары в печах мы поверяем регулярно. Но также держим наготове эталонную переносную термопару. Бывает, особенно в старых печах, возникает 'залипание' контакта или дрейф показаний. Если верить печи слепо, можно промахнуться на десятки градусов. Один раз из-за этого чуть не угробили крупную партию поковок из 40ХН — печь для отпуска показывала 580°C, а по эталону было 620°C. Разница в 40 градусов для высокого отпуска — это разница в классе прочности и ударной вязкости. С тех пор выборочная проверка температуры в разных точках камеры стала обязательным пунктом.

Вместо заключения: мысль по ходу дела

Так что, если резюмировать, термическая обработка стали — это не просто 'нагрел-выдержал-охладил'. Это постоянный диалог с металлом, с оборудованием, с технологами на предыдущих и последующих операциях. Это умение читать структуру, понимать причины дефектов и не бояться отступать от книжного графика, если того требуют реальные условия. Мощности, указанные на сайте jyybdz.ru — 5000 тонн поковок в год, 30 человек — это не просто цифры. Это объём работы, который и даёт тот самый практический опыт, когда накапливаешь в памяти десятки таких мелких, но критичных случаев. Именно они и формируют то, что можно назвать качественной термообработкой — предсказуемой, стабильной и дающей детали с нужными свойствами. Главное — не переставать анализировать и держать руку на пульсе, буквально на ощупь проверяя, как идёт нагрев или как ломается стружка после отпуска. В этом, пожалуй, и есть основная 'фишка' нашей работы.